해외신기술

태양광서 에너지 추출 물분자 분해 기술 개발

미국 라이스대학 연구진, 청정하고 재생가능한 효율적인 새로운 방법 증명
수소·산소 직접측정 대신 물 분해 가능한 광전류 측정…태양전지 비용 절감

미국 라이스대학(Rice University)의 연구진은 태양광에서 에너지를 수확해 물분자 분해 기술을 통해 청정하고 재생 가능한 에너지로 전환하는 효율적인 새로운 방법을 증명했다. 이 방법은 태양광으로 활성화되는 금 나노입자(light-activated gold nanoparticle)의 배열에 의존한다. 금 나노입자는 태양광을 수확해 전자를 여기(勵起)시키기 위해 태양에너지를 전달한다. 과학자들은 여기된 전자를 열전자(hot electron)라고 설명했다.

관련 연구는 『미국화학학회(American Chemical Society, ACS) Nano Letters』 저널에 「직접 플라즈몬 유발 광전기촉매 반응(Direct Plasmon-Driven Photoelectrocatalysis)」이라는 제목으로 발표됐다.

책임연구원이자 라이스대학 전자·컴퓨터 공학 및 재료과학·나노공학부의 조교수인 Isabell Thomann은 “열전자는 매우 유용한 화학 반응을 추진할 수 있는 잠재력이 있으나, 신속하게 분해되기 때문에 그동안 에너지 활용을 위해서 힘들게 노력해왔다”며 “오늘날 태양전지패널의 에너지 손실 대부분은 몇 초 이내의 짧은 시간 내에 냉각되는 열전자와 열전자의 에너지가 폐기 열로 방출되기 때문”이라고 밝혔다.

냉각 전에 높은 에너지 전자를 포획하는 것은 태양에너지 제공자들이 태양에너지를 전기 동력으로 전환시키는 효율을 크게 증가시킬 수 있게 하고, 태양전지의 비용을 절감하는 국가적 목표를 충족하게 한다. Thomann을 비롯한 라이스대학 LANP(Laboratory for Nanophotonics)의 연구진은 태양광으로 활성화된 나노입자를 연구했으며, 플라즈몬 에너지를 포획해 유용한 열이나 빛으로 전환하는 방법을 발견했다.

태양광은 포획되어 나노 입자의 금속 표면을 가로질러 유체처럼 흐르는 전자파도 형태의 플라즈몬(plasmon)으로 전환되며, 짧게 잔류하는 고에너지 상태이다. 플라즈몬 나노입자는 열전자의 동력을 이용하는 유용한 수단 중 하나이며, LANP 연구진은 최근의 몇 가지 연구에서 목표를 달성했다.

Thomann과 연구진의 석사과정 학생인 Hossein Roba-tjazi, Shah Mohammad Bahauddin 및 Chloe Doiron 등은 열전자에서 발생하는 에너지를 이용하여 물분자를 산소와 수소로 분해하는 시스템을 생성했다. 전기를 청정하고 효율적으로 생성하는 전기화학적 장치인 연료 전지는 산소와 수소를 연료로 이용하므로 중요도가 높다.

연구진은 열전자 이용을 위해 상응하는 플라즈몬 에너지를 수용할 시, 열전자가 제거되는 낮은 에너지 상태에서 열전자의 분리방법을 먼저 찾을 필요가 있었다. 열전자의 잔류기간이 짧은 이유 중 하나는 열전자가 새롭게 발견된 에너지를 방출하고 낮은 에너지 상태로 되돌아가려는 강력한 성향을 가지고 있기 때문이다. 이 현상을 피하는 유일한 방법은 열전자와 전자 구멍이 서로 신속하게 분리되는 위치에서 시스템을 공학적으로 제어하는 것이다. 이 공정을 수행하는 전자 공학자를 위한 표준 방법은 한쪽 방향으로만 흐르는 밸브처럼 행동하는 에너지 장벽으로 흐르도록 열전자를 유도하는 것이다.

Thomann은 이러한 접근 방법이 내재적으로 비효율적이지만, 전자공학 분야에서 쇼트키 장벽(Schottky barriers)이라고 불리는 잘 알려진 기술을 사용하므로 공학자들에게는 매력적인 방법이라고 말했다. 그러나 연구진은 내재된 비효율성 때문에 문제를 해결하는 새로운 접근 방법의 모색을 원했다고 덧붙였다. 이에 연구진은 비상용 접근 방법을 조명했다. 연구진은 열전자를 제거하는 대신 전자 구멍(electron holes)을 이동시키는 시스템을 고안했다. 연구진의 시스템은 체 혹은 막처럼 작용해 구멍은 통과하지만 열전자는 통과하지 못한다. 따라서 열전자는 플라즈몬 나노입자의 표면 위에서 이용할 수 있는 상태로 남는다.

새로운 장치는 3가지 재료의 층으로 구성된다. 하층은 얇고 빛나는 알루미늄 판이며, 투명한 니켈 산화물(nickel-oxide)로 얇게 코팅되어 덮여 있다. 산란된 상층은 직경 약 10∼30㎚의 퍽(puck)과 같은 디스크 형태의 플라즈몬 금 나노입자(plasmonic gold nanoparticles)의 수집이 이루어진다.

[『워터저널』 2015년 10월호에 게재]